Способ автоматического управления процессом осушки газа

 

СПОСОБ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ ОСУШКИ ГАЗА цутем регулирования подачи газа и абсорбента в каждый абсорбер В зависимости от величины общей нагрузки установки подготовки газа, влагосодержания осушенного газа после каждого абсорбера и концентрации абсорбента, подаваемого в каждый абсорбер, о т личайщий ся тем, что, с целью уменьшения технологических затрат путем оптимизации процесса, дополнительно измеряют содержание абсорбента в осушенном газе на вы ходе каящого абсорбера/ мощность привода каждого насоса подачи абсорбента , давление и температуру газа и каждом абсорбере и подачу газа и абсорбента регулируют в зависимости от совокупности параметров с учетом заданного влагосоQ SS держания общего потока осушенного газа. со

(19) (11) .

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ABT0PCH0IVIY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

AO ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И OTHPblTHA (21) 3526747/23-26 (22) 23. 12. 82 (46) 23.02.84. Бюл. Р 7 (72) Б.Ф. Тараненко (7l ) Специальное проектно-конструк.торское бюро " Промавтоматика" (53) 66. 012-052 (088. 8) (56) 1. Авторское свидетельство СССР

9 526 376, кл. В 01 3) 53/26, 1 974 °

2. Патент СССР N 715010, кл. В 01 3 53/14, 1975.

t (54) (57) СПОСОБ АВТОМАТИЧЕСКОГО

УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ ОСУШКИ ГАЗА путем регулирования подачи газа и абсорбента в каждый абсорбер в зависимости от величины общей нагрузки установки подго3(59 В 01 3 53/26; 6 053) 27 00 товки газа, влагосодержания осушенного газа после каждого абсорбера и концентрации абсорбента, подаваемого в каждый абсорбер, о т л и ч а ю шийся тем, что, с целью уменьшения технологических затрат путем оптимизацьи процесса, дополнительно измеряют содержание абсорбента в осушенном газе на вы" ходе каждого абсорбера, мощность привода каждого насоса подачи абсорбента, давление и температуру газа В каждом абсорбере и подачу газа и абсорбента регулируют в зависимости от совокупности пара" метров с учетом заданного влагосодержания общего потока осушенного газа.

074577

2 в зависимости от величины общей на.грузки установки подготовки газу, влагосцдержания осушенного гйэа -. йосле каждого абсорбера и концентрации абсорбента, подаваемого в

5 каждый абсорбер, дополнительно изме..ряют содержание абсорбента в осушенном газе на выходе каждого абсор.бера, мощность привода каждого на-соса подачи абсорбента, давление

)p и температуру ваза в каждом а6сорбере и подачу газа и абсорбента регулируют в завиаимбсти от совокупности параметров с учетом заданного влагосодержания общего потока осушенного газа.

На чертеже показана схема автоматического управления для реализации способа.

Способ осуществляется следукщим

Сырой газ со скважин (не показаны) по трубопроводам 1 подают в абсорберы 2, в которых с помощью абсорбента (например, диэтиленглико ля) иэ газа извлекают воду. Абсорбент подают по трубопроводам 3 при помощи насосов 4. Осушенный газ по трубопроводам 5 подают в коллектор 6, а насыщенный водой абсорбент отводят по трубопроводам 7 на установку регенерации (не показана)., В процессе эксплуатации абсорбера 2 часть абсорбента уносится осушенным потоком газа в коллектор б и безвозвратно теряется. При этом

35 абсорбент уносится как в жидкой, так и в паровой фазах.

Удельный укос раствора абсорбента в жидкой фазе из верхней тарелки i-го абсорбера можно определить

40 по формуле

<),,„. = е„G„,. сроо, (г) где <(,„»вЂ”

Изобретение относится к автоматическому управлению и регулированию технологических процессов и может быть использовано в газодобывающей промышленности.

Известен способ автоматического управления абсорбционным процессом осушки газа путем изменения расхода абсорбента в зависимости от соотношения расчетной и фактической . величин влажности, причем расчет, ную величину определяют по давлению и температуре газа перед компрессорной Станцией (1 .

Недостатком этого способа управления является невозможность одновременного управления несколькими абсорбентами с различными техникоэкономическими характеристиками в оптимальном режиме.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является. способ автоматического управления процессом абсорбции путем изменения подачи абсорбента и газа в каждый абсорбер в зависимости от величины общей нагрузки абсорберов, концентраЦии компонентов в подаваемом газе, растворителе и выходя,щем газе каждого абсорбера с учетом стоимостных показателей про цесса. При реализации способа достигается одновременное управлениЕ несколькими абсорберами с различной поглощающей способностью в оптимальном режиме по критерию максимума выгоды от извлечения различных полезных компонентов иэ обрабатываемого газа. При осушке газа извлекаемым компонентом является вода, которую сбрасывают в промканалиэацию как беополеэныйпродукт. Однако на извлечение воды расходуются ценные материальные и энергетические ресурсы: абсорбент (например, диэтиленгликоль), который уносится потоком осушенного га за и безвозвратно теряется, и энергия (например, электрическая), которую затрачивают на подачу абсорбента в абсорберы f23 °

Однако известный способ, ориентированный на управление несколькими абсорберами с различной поглощакицей способностью беэ учета различных технико-экономических характеристик этих абсорберов, не позволяет уменьшить технологические затраты на осушку газа.

Цель изобретения - уменьшение технологических затрат путем оптимизации процесса.

Поставленная цель достигается тем, что согласно способу автоматического управления процессом осушки газа путем регулирования подачи гаЗа и.абсорбента в каждый абсорбер е =с „.,, («)

9,7

11 где в; — удельный унос жидкости (цо . отношению к расходу газа), 45 кг/кг;. ш — линейная скорость газа в абсорбере, м/c1

К„» — коэффициент пропорциональности, зависящий от конструк-.

50 тивных размеров абсорбера, а также физических свойств газа и абсорбента (кг/кг) / (м/с) 3,.7

Абсолютный унос абсорбента с верхней тарелки .абсорбера в жидкой фазе абсолютный Унос абсорбейта с верхней тарелки в жидкой

Фазе (в пересчете на 100Фную концентрацию), кг/ч у массовый расход газа, кг/ч; концентрация раствора абсорбента,В.

1074577

Линейную скорость газа в абсор- где Р ; - упругость насыщенного пабенте определяют по известной фор- ра абсорбента при задан" муле ной температуре, Па) (,=G„,./(Зьоор г; J (3) х,,: - концентрация абсорбента где p; - плотность газа, кг/МЗ; в растворе, кмоль/кмоль.

- площадь проходного сечения 5 Связь между упругостью и темпеабсорбера, м, 2 ратурой насыщенных паров описываетПлотность газа определяют по фор- ся уравнением муле Р,„; -,.- 1ЗЗ,З "10 .< <11) р = о р; М;/() „т,), (4) где Z(T; ) =В-A/(T„-43) ув где P,. - давление газа в абсорбере, )p A и В - коэффициенты, зависящие

МПа; от химического состава

Т;- температура газа в абсор- абсорбента (для диэтиленбере, К; гликоля, например, A =

МФ- молекулярная масса газа, 3035, B«9,270) . кг/кмаль; 15 Подставив выражение (ЙО) в выраЯ s 8314,3 нм (кмоль- К) - уни- жение (9) с учетом уравнения (11), версальная газовая постоянная. получаем

Подставив формулу (1)-с учетом : (2 =133,3 -10 .х)/Р .. (12)

z(ò выражений (3) и (4) в формулу (2), Так как х„=С;/(С;+М„(103-С )/М 1 получаем

1 1 1 т g (13) . „л ;, о A„T,. 136F.È.Ð.J G . (f) где М„,М2 - молекулярная масса соот»

I ветственно абсорбента

Уносимая с верхней тарелки абсор- и воды кг/кмоль бера жидкая фаза частично улавли- выражение (12) с учетом формулы (13) ваетсЯ ФильтРом, Установленным mm- 25 принимает в„д бо в абсорбере, либо после него. " =133,3.10 (Ф(.С /<Р. (C .Ф.М<100 <.)/м1

Поэтому. потери абсорбента в жид2< кой фазе Учитывая, что (()

%г1=Ч <" Ъ1,) <6) 4= (г; м„/м,, где ф2„- потеРи абсоРоента в жид- О выражение (8) с учетом формул (15) кой фазе, кг/ч; и (14) принимает ви (1.,„ — КПД фильтра, безразмерная z(T ) ( величина. у .= 93,36 М <() с, м,Р. С.+м йЮ-С. М, <

Подставив вмражавиа (с) в Форму- В " т с («(в ij) лу (б ), получаем «e)

) з „,35 1аким образом, потери абсорбента

Ф .-R.C((Вв R Г./ВВГ.м.P) Q, (т) в жидкой и паровой расах оирададиемые соответственно по формулам (7) г 3.,= <„,(-„„ ) - коэффициент про- И (16), ЭаВИСЯт От РаСХОДР, ТЕМПЕпорциональности. ратуры и давления газа в абсорбере, Потери абсорбента в паровой Фазе 4р а также от концентРации абсоРбента. определяют по формуле Общие потери абсорбента для 1 -го з;, а„. - <8). абсорбера где Ф((,з,- — потери абсорбента в паз / а содержание абсорбента в Газе на (,. -. содержание паров абсо - - выходе каждого абсоРбеРа.

ФФ 45 бента в потоке осушенно- (18) го газа, кг/кг. где (ФФ вЂ” содержание абсорбента в

Согласно закону Рауля мольную потоке осушенного газа, долю паров абсорбента в потоке к г/к г. осушенного газа можно определить

Подставив a формулу (18) выраже51 ние <17) с учетом выражений ((7) (9) и (1 б ),„получаем

2Ф С(1 где Y>; - содержание паров абсорбен- п1 Ч3 ((® 1 /36".("(.) „) Q„ . ФЛЗ,ЗЩ10 та в потоке газа, кмоль/ кмоль)

Р ; — парциальное давление паров Коэффициент. пропорциональности абсорбента в газе, Па. со временем изменяется. Для

В свою очередь его определения используют выраР„;=Р»,- х; . 410) жение (19), из которого получают

2щ )

m(-Ю,З М„Я) Q.(Ì.Р;(С; ФМ (ЮО-С,)/М )}

Иэ выражения (20) следует, что обходимо измерять содержание абсордля определения коэффициента ф„.. не- 65 дента в газе на выходе абсорбера, 1074577 давление и температуру газа, а также концентрацию абсорбента.

Кроме потерь абсорбента в про» цессе осушки газа имеют место затраты энергии на подачу абсорбента

N;=(««G,(Р,. «оР.)/» ., (2«) и

О:K (P К а +к G ê,,G ./G ) (го(45

1=(где 3 — суммарные технологические затраты на процесс осушки газа, руб/ч;

n — количество абсорберов;

К„,=Кок (!О R T,./ÝÁ С.М.P,)

Кк,--йо,Зорко «о о1/)««,Р,.)С,,AI„(T«m-о)/а )), z(> j

-Э

К,. = О ЦЭ (P. + hP) °

60

Выражение (24) устанавливает взаимосвязь суммарных технологических затрат на процесс осушки газа от управляющих воздействий: подачи газа и абсорбента в каждый абсорбвр. где Й; — затраты энергии (потребляемая мощность) квт.-ч/ч у

6,(; — расход абсорбента, м /с;

9 ° . ) 0

° 1 йР; - давление, расходуемое на преодоление высоты столба жидкости и трения в нагнетательном трубопроводе насоса, Ila; 15

КПД насоса.

В первом приближении можно принять аР„=Ь Р2 =... h P i =h p= co(Gsc Значение (R),P определяют экспериментально.

Для определения КПД насоса исполь- 20 эуют выражение (21)(иэ которого получают г 10 6 .(P „+ЬР) /Ni (22)

Таким образом, для вычисления

КПД насоса по формуле (22) необхо- 25 димо измерять мощность, потребляемую приводом насоса, давление в абсорбере и расход (подачу) абсорбента.

Технологические затраты на про- 30 цесс осушки газа в -ом абсорбере с учетом цен. абсорбента и энергии следующие

Зi=ЦаЧ(+Ц э 1 (23) где 3; — технологические затраты, руб. /ч у

Ц„- цена абсорбента, руб/кгпв

Ц вЂ” цена энергии, руб./квт, ч.

Подставив. в выражение (23) выражение (17) с Учетом Формул (7) и 40 (16) и выражение (21) и просумми- ровав выражение (23) по числу аб сорберов, получаем

При этом коэффициенты К„„, К и К

91 зависят от Т;, Р;, С,, для определения коэффициентов р< и (,; необходимо измерять соответствейно содержание абсорбента) в потоке осушенно» го газа и мОщность, потребляемую приводом насосов подачи абсорбвнта. .Задача управления процессом ocyluки газа является обеспечением заданной общей Harpуэки устанОВКи подготовки газа и заданного влагосодержания Общего потока осушенного газа и (2Я п о((< G . .(G "-Ж, (26)

G заданная общая нагрузка установки подготовки газа,. кг/ч;

% — заданное влагосодержание общего потока осушенного газа, г/кг;

N; — влагосодержание газа на выходе i-rо абсорбера,.

r/êã где

Вла госодержа нне ra з а на выходе . 3 -ro абсорбера определяют по формуле

G(.= w„. -(Со„,-о(о,) )сe««P(-RR, G )G„, )), (z T(где N<, - нлагосодержание сырого газа, к/кг у

%2 — равновесное влагосодержание газа, г/кг; д ; — коэффициент, характеризующий поглотительную способность абсорбента, кг/кг.

Значения Ф„ и Ф2; вычисляют по формулам

)))(„=10 P0 (749/Р„+/ ; ) /Pi ) (28)

%2,=10 Р „(749/(В;+(Ь„) Р„; (29) где р; =68, 5ехр (О, 00007T (-О, 0195Т; ) °

Р(,;=610,38еХР(0, 0735Т -0,00027T;) 1 ()0(Р() х3 (11 х ° М.(100-C; ) /И (100-Ci )+М С ) у т,=10 я;

Z; =- (mx;/ (1-х „) +n) (Т;+273) " °

TTG,n — коэфФициенты (для раствора диэтиленгликоля, например, ио=О, 0245, и= 0,137);

P(— давление в абсорбере, МПа;

T температура в абсорбере, С; р, — плотность газа при нормальных условиях, кг/м .

Из выражений (28) и (29) видно, что для определенля NÄi необходимо измерять Ро и Тд, а для определения Ч 2; — P„T „. и С .

1074577

Подставив выражение (27) в формулу (26), получаем и

K в -(w,.-wz,y(-АР(-зе,.ь,(c„,.Ù=Ф6„. (soj

Для идентификации коэффициента

3J измеряют фактическое влагосодержание газа W; на выходе каждого абсорбера и из формулы (27) находят

Ьа! Ф„;-%2;

Из выражений (24) и (30) следует, что суммарные технологические затра-. ты и влагосодержание общего потока газа зависят от того, как общая нагрузка 6;, установки подготовки газа распределена между,абсорберами и какова подача абсорбента в каждый абсорбер. Отсюда вытекает задача определения оптимальных расходов газа и абсорбента, подаваемых в каждый абсорбер. Ее формулируют следукщим образом: в области налагаемых на подачу газа и абсорбента ограничений

0, .«(0, < 0«, найти такие G,=б.... Ga;=G«,÷òîáû технологические затраты, ойределяемые по формуле (24),, были минимальны, а 35 общая нагрузка установки подготовки газа и влагосодержание общего потока осушенного газа были равны заданным значениям, т.е. чтобы соблюдались условия (25)и(30).

В ограничениях (32) и (33) переменной с одним штрихом соответствует минимально допустимое значение, а переменной с двумя штрихами — максимально возможное значение.

В силу нелинейности целевой функции (24) и ограничения (30) оптимизационная задача.(24), (25), (30), (32), (33) относится к классу задач нелинейного программирования ° Для ее решения должны быть известны коэффициенты, входящие в выражения (24) и (30) и определяемые по изме.»: ренным значениям, Измерение осуществляют датчиками

8 содержания абсорбента в газ на выходе абсорберов 2, измерение с;датчиками 9 мощности, приводов насо- I сов 4, измерение P„ - датчиками 10 60 .давления газа в абсорберах 2, изме-. рение Т; — датчиками ll температуры газа в абсорберах 2, измерение

С„. - концентратомерами 12 абсорбента на линиях 3 подачи последнего в 65 абсорберы 2, измерение Nf;- влагомерами 13 на трубопроводах 5 осушенного газа измерение Ц„; - датчиками 14 расхода газа на трубопроводах

5 осушенного газа, измерение G ;датчиками. 15 расхода абсорбента на линиях 3 подачи последнего в абсорберы 2.

Информацию от всех датчиков вводят в вычислительное управляющее устройство 16, при помощи которого с наперед заданной периодичностью по приведенным выше формулам вычисляют коэффициенты выражений (24) и (30).

При помощи устройства 17 ввода информации s вычислительное управлякщее устройство 16 вводят заданные значения общей нагрузки установки подготовки газа и влагосодержания общего потока осушенного газа, а также значения,,„ Q„", G»,, и значенйя других условно-постоянных величин.

Задачу минимизации целевой функции (24) при условиях (25), (30) (32), (33) решают при помощи вычислительного управлякк его устройства 16 с наперед зада ной периодичностью, а также каждый раэ, когда изменяют исходные данные, вводимые при помощи устройства. 17 ввода информации. Для решения задачи оптимизации используют один из известных алгоритмов решения задач нелинейного программирования, например один иэ алгоритмов метода случайного поиска.

В результате решения задачи получают оптимальные значения расходов газа и абсорбента, которые подают на эадакщие входы регуляторов 18 расхода raза и регуляторов 19 расхода абсорбента. И те и другие, воздействуя на исполнительные механизмы 20 и 21, поддерживают заданные оптимальные расходы газа и абсорбента.

Величины оптимальных значений расходов газа и абсорбента, подаваемых в каждый абсорбер, зависят от заданного влагосодержания общего потока осушенного газа, коэффициентов целевой функции (24) и ограничения (30). Значения коэффициентов в свою очередь зависят от содержания абсорбента в .газе.на выходе каждого абсорбера, мощности, потребляемой приводом каждого насоса подачи абсорбента, давления и температуры газа в каждом абсорбере, поэтому при предлагаемом способе эти величины необходимо дополнительно измерять и в зависимости от них изменять подачу газа и абсорбента в каждый абсорбер.

1074577

Состав итель Б . Хаклюгин

Техред С.Мигунова

Корректор А. Зимокосов

Тираж 682

BfIHHIIH Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, 0-35, Раушская наб., д. 4/5

Подписное

Филиал IIIIII Патент, г. Ужгород, ул. Проектная, 4

Использование предлагаемого способа автоматического управления процессом осушки гаэ а поэ воля-

Редактор С. Саенко.

Заказ 426/8 ет уменьшить суммарные технологические эатраты примерно на 3-5%.